Две p-орбитали могут образовать сигма-связь, если они взаимодействуют с помощью осевого перекрывания. При такой связи правая сторона левой восьмерки будет перекрываться левой стороной правой восьмерки (∞∞). Орбитали перекрывают друг друга в одном месте, образуя сигма-связь.
Однако две p-орбитали могут взаимодействовать с помощью бокового перекрывания. Из названия этого перекрывания понятно, что у орбиталей есть два месте пересечения. Такая связь называется пи-связью.
Просто представьте две p-орбитали, расположенные рядом с друг другом (88). Две верхние части будут взаимодействовать между собой точно так же, как и две нижние.
Если вы когда-нибудь слышали о газовой сварке, то уже знаете о данном типе связи. Ацетилен (C2H2) – это небольшая молекула углеводорода с прочной пи-связью между атомами углерода. Если мы подожжем этот газ, то тройная связь в молекуле разрушится. При сгорании газа температура пламени составляет максимум 3150°C (5702°F); это отлично подходит для сварки двух металлов.
С помощью орбитальных перекрытий могут образовываться новые связи, так как именно при перекрывании атомы делят между собой электроны. Подобные связи могут быть ковалентными или ионными. Вне зависимости от того, из каких атомов состоит молекула, она всегда будет стараться принять такую форму, при которой валентные электроны будут располагаться на максимальном расстоянии друг от друга.
Это все, что вам нужно знать о связях в молекулах. По крайней мере, сейчас.
И раз уж теперь вы знаете, как образуются связи внутри молекул, я могу рассказать вам о связях между молекулами. Будут ли молекулы образовывать новые ионные или ковалентные связи? Или они просто проигнорируют друг друга и будут болтаться в группах?
3. Займемся физикой. Твердые тела, жидкости и газы
В первых двух главах вы узнали об основах химии: атомах и молекулах. В мире есть очень много атомов. Триллионы триллионов! Бессчетное количество… вы меня поняли. Но мы их практически не видим. Знаете, они очень маленькие: в триллион раз меньше человеческого волоса! Было бы странно, если бы мы смогли видеть летающие вокруг нас атомы…
И даже если бы мы могли видеть атомы невооруженным глазом, то видели бы скопления атомов, а не отдельные частицы. Все потому, что атомы и молекулы любят группироваться, прямо как школьники на вечеринке. Например, когда мы смотрим на уголь для гриля, мы смотрим на группу атомов углерода. А когда группы атомов углерода и кислорода решают объединиться в молекулу углекислого газа, мы видим твердый сухой лед.
В этих двух примерах атомы угля и молекулы сухого льда сгруппированы вместе, и между молекулами и атомами практически нет свободного пространства. Так вот, это расстояние (насколько оно велико) и является определяющим фактором того, что ученые называют фазовым состоянием.
В химии выделяют три фазы: твердая, жидкая и газообразная. (Существуют и другие, например, коллоиды и плазма, однако я расскажу только о фазах, с которыми мы сталкиваемся чаще всего.) Самый простой способ определить, является вещество твердым, жидким или газообразным, – уронить его и посмотреть, что случится. Например, упавший бокал для шампанского разобьется на осколки, которые разлетятся по всей комнате. Это из-за того, что стекло было в твердом состоянии. Не важно, стекло разбито или нет: осколки остаются осколками. Стекло не превратилось в лужу (как жидкость) и не поднялось в воздух (как газ).
Существуют также промежуточные состояния вещества, которые нельзя отнести к определенной фазе. Да, стекло – это твердое тело. Но если говорить точнее, то стекло – это аморфное твердое тело. То есть оно имеет физические свойства твердых и жидких тел. Однако в данном случае мы будем считать, что стекло – это обычное твердое тело.
Когда ученые рассматривают бокал для шампанского под микроскопом, они видят, что атомы бокала располагаются вплотную друг к другу: они даже не могут двигаться. Им трудно поменять свое местоположение. Молекулы в твердом теле напоминают мне о временах, когда моя маленькая племянница засыпала у меня на руках. Не важно, что происходило вокруг: я не могла пошевелиться, потому что боялась ее разбудить. Молекулы в твердом состоянии ведут себя так же.
На микроскопическом уровне атомы в твердой фазе очень похожи на атомы в жидкой фазе, но есть одно существенное отличие – расстояние между атомами. В жидкостях атомы располагаются на приличном друг от друга расстоянии, благодаря чему могут свободно двигаться, а жидкость – принимать различные формы (например, форму сосуда, в котором она находится). Мы видим это каждый раз, когда падает бокал шампанского: стекло, ударившись о кафельный пол, разбивается на множество мелких осколков, а шампанское течет по плитке, пока не достигнет ее края или шва.
В химии мы обсуждаем форму и объем твердых и жидких тел. Жидкости легко изменяют свою форму, но имеют постоянный объем. У твердых тел объем и форма постоянны. В примере с шампанским напиток принимает форму бокала до тех пор, пока тот не разбивается. Как и любая жидкость, шампанское не имеет постоянной формы.
Давайте рассмотрим пару примеров. Вы кладете твердое тело, например картофель, на дно контейнера. Картофелина остается на том же месте, где вы ее оставили, верно? И если вы переложите ее в кастрюлю, то в обычных условиях картофелина не изменит своей формы. Однако если вы добавите жидкость, к примеру воду, то она растечется по всей кастрюле, равномерно покрывая ее дно.
Представьте себе школьников на танцах. Молекулы в жидкостях медленно танцуют, в то время как молекулы в твердых телах упрямо стоят по углам. Молекулы в жидкостях постоянно двигаются и машут руками в разные стороны, а молекулы в твердых телах стоят как столбы. Жидкость заполняет весь контейнер, а твердые тела сохраняют постоянную форму, потому что их молекулы не танцуют. По правде говоря, молекулы в твердых телах вообще не двигаются.
Большинство жидкостей на нашей планете состоят из молекул. Исключение составляют две: при комнатной температуре бром и ртуть состоят только из атомов. Все остальные жидкости имеют хотя бы одну молекулу. (Например, вода без примесей состоит из молекул Н2О, а не из атомов водорода и кислорода; при этом ртуть в жидком состоянии состоит из атомов Hg.)
Разница между жидкостью и газом точно такая же, как и разница между жидкостью и твердым телом, – все дело в расстоянии между атомами! Давайте снова обратимся к примеру со школьниками на танцах.
Если твердые тела стоят на месте, а жидкости танцуют медленный танец, то газы танцуют квикстеп. Молекулы движутся на пределе своих возможностей, стараясь «захватить» всю танцплощадку. В отличие от жидкостей и твердых тел, газы не имеют постоянной формы или постоянного объема. Они стремятся заполнить контейнер целиком. Следовательно, если жидкость закрывает дно колбы, то газ пытается быть везде и сразу.
Я уверена, что вы уже знакомы с распространенными газами: кислородом, азотом и гелием. Они постоянно пребывают в движении (даже сейчас, даже внутри вашего дома), так как наша атмосфера состоит из газов. И хотя мы не можем увидеть кислород, почувствовать азот или попробовать на вкус углекислый газ, мы бы не смогли жить без них. Вот почему космонавты носят скафандры: на Луне и в открытом космосе этих газов нет. Именно поэтому аквалангисты таскают на спинах тяжелые кислородные баллоны. Человек может прожить без кислорода около трех минут, после чего наступает смерть (что, я уверена, вы и так знали).
Но здесь, на Земле, вокруг нас летают миллиарды молекул. Бо́льшую часть из них составляют азот (78 %) и кислород (21 %). Значительный 1 % занимает аргон. Кроме того, в нашей атмосфере есть незначительное количество других газов (например, углекислый), а также загрязняющих примесей (например, угарный газ). Когда вы делаете глубокий вдох, то поглощаете смесь газов. Молекулы проходят через нос в легкие и остаются там, пока 4 % кислорода не превратятся в углекислый газ. При выдохе вы выделяете молекулы азота и аргона, примерно 17 % кислорода и 4 % углекислого газа. Существует распространенное заблуждение, что мы выдыхаем 100 % углекислого газа – как вы уже поняли, это неправда.
Выдыхаемый нами аргон – газ весьма стабильный. Ученые используют его каждый раз, когда им нужна инертная среда для проведения реакций. Когда я училась в аспирантуре, то закачивала аргон в колбы с опасными реакциями: отличный способ убедиться в том, что они не взорвутся. Аргон снижал вероятность взрыва до минимума, но должна признать, что такие эксперименты все равно напрягают – в любой момент что-то может взорваться.
Аргон – элемент с атомным номером 18. Как вы уже догадались, это означает, что у него есть 18 протонов и 18 электронов. Несмотря на то, что аргон небольшого размера, он очень плотный.
Когда я на лекциях рассказываю студентам о газах, мне нравится для наглядности использовать воздушные шары, наполненные один аргоном, а другой гелием: так я демонстрирую, какое значение имеет плотность газов. Я держу шарик с аргоном и подбрасываю его. Воздушный шар сразу же падает на пол, потому что аргон тяжелее воздуха. Затем я подбрасываю шарик с гелием, и он сразу же улетает к потолку. Это все, что вам нужно знать о плотности газа.
Чем плотнее газ, тем больше молекул сгруппировано в определенном объеме. Пример: представим, что белье – это молекула; тогда корзина для белья какого-нибудь студента будет «плотной», потому что доверху набита грязным бельем. С другой стороны, у Мари Кондо[5] была бы «менее плотная» корзина для белья, так как она оставляет только ту одежду, которая вызывает у нее подлинную радость (и потому, что она лучше следит за своими грязными вещами, чем студенты).
Менее плотные газы, например водород или гелий, поднимаются вверх, так как они легче воздуха. Такие газы идеально подходят для воздушных шаров, о которых мы говорили выше. Как вы уже поняли, чтобы воздушный шар не улетел, его нужно пр